多煤層開采井筒揭煤區(qū)域瓦斯防治技術研究

黨紅星 王 巖

(1. 澄合礦區(qū)山陽西卓子煤礦籌建處, 陜西 715300; 2. 煤炭科學研究總院沈陽研究院, 遼寧 110016)

山陽井田位于陜西省渭北石炭二疊紀煤田澄合礦區(qū)中深部。山陽煤礦為基建礦井, 設計能力為3．0Mt/a。礦井為高瓦斯礦井, 井田內含基本全區(qū)可采煤層一層, 為山西組的5#煤。大部可采及局部可采煤層3 層, 為4#、6#、10#煤。本次風井要揭穿4#、5#層, 因此有必要針對山陽煤礦副井井筒依次揭穿兩個煤層瓦斯防治技術進行研究, 形成一套適合深部礦井井筒 (立井) 揭煤瓦斯綜合防治的技術及管理措施, 為礦井瓦斯治理提供技術依據, 保障礦井安全、高效、順利的依次揭開多煤層, 該措施在揭煤過程中避免和減少煤與瓦斯突出有著重要的現實意義。

1 工程及地質概況

風井井筒中心坐標為：X = 3902700．0m, Y =37414420．0m,井口標高767．2m, 井筒凈直徑7．5m,凈斷面積44．18m, 掘砌深度483．5m。井筒表土段、風化基巖段及部分基巖段采用鋼筋砼支護, 基巖段采用素砼支護。井筒上部鎖口段壁厚750mm,井筒井頸段、基巖段壁厚550mm, 砼強度等級C40。通過破碎巖層時增加錨網噴支護, 由現場巖石條件確定。

鋼筋保護層內壁50mm, 外壁70mm。豎筋接頭連接采用直螺紋套筒連接, 環(huán)筋采用綁扎連接, 搭接長度35d。環(huán)筋采用φ20@250 螺紋鋼筋, 豎筋采用φ16@300 螺紋鋼筋。內外圈豎筋采用φ10 @600鋼筋連接。井筒在- 170m 和- 453．2m 兩處設有壁座, 壁座深度1000mm, 壁厚2500mm。

根據2010 版《煤礦安全規(guī)程》第201 條規(guī)定：當工作面預測為無突出危險工作面時, 可不采取防治突出措施, 直接采用遠距離爆破或震動爆破揭穿(開) 煤層。結合副立井實際瓦斯地質及周邊鄰近礦井瓦斯情況, 所揭露4#、5#煤層均屬無突出危險煤層。

2 施工方案

(1) 在井筒停止施工至距4#煤層頂板10m(井深463m) , 澆注2m 厚的探煤、探水止水墊, 開始探煤。

(2) 根據《煤礦安全規(guī)程》及《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的有關規(guī)定, 確定采取預報、防治突出措施、措施效果檢驗和安全防護技術為主的原則施工。

圖1 揭煤防突措施工藝流程圖

(3) 施工順序： 根據預測情況確定采取以下哪種施工順序。

①掘進→工作面距4#煤層頂板法距10m (井深463m) →打三個探煤孔→確定煤層產狀及賦存情況并進行突出危險性預測→確認煤層有突出危險性→施工至距4 # 煤頂板法距6m (井深467m) →釋放瓦斯→效果檢驗有效→施工至距4#煤層頂板法距2m (井深471m) →放震動炮揭開煤層。

②掘進→工作面距4#煤層煤頂板法距10m(井深463m) →打三個探煤孔→確定煤層產狀及賦存情況并進行突出危險性預測→確認煤層無突出危險性→施工至距4#煤層頂板法距6m (井深467m)→突出危險性預測→確認煤層無突出危險性→施工至距4#煤層頂板法距2m (井深471m) →放震動炮揭開煤層。

3 探煤施工

3．1 鉆孔施工

(1) 超前鉆孔設計參數

①鉆孔個數： 2 個;

②鉆孔深度、鉆孔位置： 鉆孔要穿透煤層全厚且進入煤層底板不小于0．5m。詳見超前鉆孔預計參數表1、2;

表1 4#煤超前鉆孔參數表

表2 5#煤超前鉆孔參數表

③孔口管：φ108 ×2500mm 無縫鋼管其一端焊接法蘭盤。

(2) 鉆孔施工

孔口管、鉆孔工作臺組裝： 井筒施工至煤層頂板10m, 進行永久支護和必要的臨時支護, 并將工作面使用C65 砼鋪底2m 厚, 安裝好φ108mm 孔口管, 以便利于探煤、探水施工, 24h 后在工作面搭設鉆機平臺, 鉆孔施工在井下工作臺上進行。工作臺利用φ108mm 鋼管焊制成高度1．5m, 長3m, 寬2．5m 框架, 在井下組裝后鋪上3mm 防滑鋼板形成。用5t 葫蘆將鉆機固定于工作面預先安裝的樹脂錨桿上, 隨后使用φ90mm 的鉆頭在孔口管中向巖層施工鉆孔探煤。

鉆孔施工及封孔： 首先用φ130mm 鉆頭施工2m 深的鉆孔, 鉆孔清理干凈后灌滿1： 1 水泥砂漿然后在鉆孔中固定φ108mm 的孔口管, 凝固24 小時后用φ90mm 的鉆頭在孔口管中向巖層施工鉆孔探煤。

鉆孔工作臺組裝、鉆孔施工的施工方法同上。

封孔、測壓： 鉆孔施工到設計深度后, 首先要清理鉆孔, 用壓風將鉆孔內的巖粉等盡可能的吹干凈, 然后拔出鉆桿依次安裝上壓蓋、閥門和壓力表, 詳細記錄下瓦斯壓力和涌出速度等數值, 并測定煤的瓦斯放散初速度指標、堅固性系數或鉆屑瓦斯吸附指標等從而更準確預測煤層瓦斯突出危險性。上述工作完成后用1： 1 水泥砂漿封孔。

3．2 工作面突出危險性的測定

任一探孔施工完畢后, 首先測定孔口及工作面瓦斯?jié)舛? 之后立即提鉆, 給孔口管上法蘭, 測定煤層突出危險性指標。指標臨界值見表3。

表3 突出危險性指標臨界值表

在打測壓孔的過程中, 每米孔采一個煤樣測定煤的堅固性系數 (f) , 將兩個測壓孔所得煤的堅固性系數最小值加以平均作為軟分層的平均堅固性系數。將堅固性系數最小的兩個煤樣混合后測定煤的瓦斯放散初速度指標 ( △P) , 并按下述綜合指標法對煤層工作面突出危險性進行預測：

D= (0．0075H/f - 3) (P- 0．74)

K= △p/f

式中 D——綜合指標一;

K——綜合指標二;

H——煤層賦存深度, m;

P——煤層瓦斯壓力, MPa;

f ——煤的堅固性系數;

△p ——瓦斯放散初速度指標。

煤層瓦斯壓力測定采用封孔測壓法,將帶有壓力表的管子連接到孔口管上,安上壓力表測壓,并詳細記錄壓力上升與時間的關系,直到壓力穩(wěn)定為止。穩(wěn)定后的壓力即為煤層瓦斯壓力。具體操作如下：

壓力觀測方法：

(1) 瓦斯壓力表裝好后, 指派專人記錄數據,記錄頻率按照瓦斯壓力表示數上升速度來定, 初期一般變化0．1MPa 即記錄一次, 待瓦斯壓力上升的速度穩(wěn)定后, 一般1 小時記錄一次即可;

(2) 記錄內容分別為日期時間、瓦斯壓力表數據;

(3) 當瓦斯壓力穩(wěn)定不動24 小時后, 觀測過程結束;

(4) 對測壓數據進行處理, 作出瓦斯壓力- 時間曲線, 得到煤層瓦斯壓力;

經測定以上幾項指標均不超過臨界值, 可確定煤層為無瓦斯突出危險性煤層, 施工至煤層頂板法線距離2m 位置, 按揭露煤施工方法進行施工。如果測定以上單項指標或綜合指標達到臨界值, 則需要進行檢測, 確定為具有瓦斯突出危險性煤層, 按防突措施實施。

3．3 防治突出措施

根據突出危險性預測結果, 如需采取防突措施, 將采取排放瓦斯、卸壓的方法預防突出。

當工作面底板距煤層頂板法距5m 時, 在掘進斷面上打φ90mm 的排放孔70 個, 釋放瓦斯, 降低煤體中的瓦斯壓力和圍巖應力, 杜絕瓦斯突出的發(fā)生。

(1) 排放瓦斯孔設計

根據《防止煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定及煤層特點, 設計排放鉆孔。主要技術參數如下：

①鉆孔有效排放半徑1000mm;

②開孔間距： 鉆孔開孔間距1500mm, 孔底超出荒徑2000mm;

③鉆孔直徑：φ90mm;

④鉆孔深度： 穿透煤層全厚進入底板至少500mm, 詳見釋放瓦斯鉆孔參數表;

⑤鉆孔總數： 70 個;

(2) 排放孔施工

①放孔采用ZM- 120II 型潛孔鉆機施工, 孔徑φ90mm, 孔底超出井筒荒徑輪廓線2m。

②全部排放孔均穿透煤層進入底板500mm。

4 揭煤時的通風與瓦斯管理

(1) 風量計算和風機選型

施工過程中, 采用壓入式通風, 局部通風機和備用局部通風機安設在井架北20m 處新鮮風流中。

工作面實際需要的風量, 應按人數、瓦斯或二氧化碳涌出量、同時爆破的炸藥用量、風速演算等規(guī)定要求分別進行計算, 可以采取其中最大值作為實際需要風量。

按人數計算：

Q=4×n=4×25=100 (m3/min)

式中 n——掘進工作面同時工作的最多人數, 取25 人。

按瓦斯涌出量計算：

Q=100×q×k=100×1．25×2=250 (m3/min)

式中 Q——掘進工作面實際需要的風量, (m3/min) ;

q——掘進工作面的瓦斯絕對涌出量, 取q= (礦井相對涌出量4．56m3/t ×日掘進長度4．2m×掘進荒斷面69．4m2×巖石容重1．35t/m3) / (24 ×60) min =1．2 (m3/min) ;

k——掘進工作面的瓦斯涌出不均勻的備用風量系數, 取k=2。

按爆破的炸藥量計算：

Q=7．8 [K (SL/ρ)2) A]1/3/t =7．8 × [0．6 ×(52．81×500)2×500]1/3/40=883．4m3/min

式中 t——炮后排除炮煙時間, 取40 分鐘;

A——同時爆破的炸藥量, 取500Kg;S——通風斷面面積, 52．81m2;

L——井筒深度, 取長度為500m;

K——淋水系數取0．6;

ρ——風筒進出風量比, 取1．5。

井筒最低風速驗算：

根據《煤礦安全規(guī)程》的有關規(guī)定, 立井掘進的最低風速取0．25m/s, 并按下式計算：

Q=60SV=60×52．81×0．25=792．2m3/min。

式中 Q——掘進工作面需風量m3/min;

S——工作面凈斷面面積52．81m;

V——最低風速取0．25m/s;

選型結果：

按人數計算Q=100 (m3/min)

按瓦斯涌出量計算Q=250 (m3/min)

按爆破的炸藥量計算Q=883．4 (m3/min)

井筒最低風速驗算： Q=792．2 (m3/min) 。

現有FBD63/2 ×30KW 型軸流對旋式局部通風機, 風量為430 ～1060m3/min, 靜風壓力2000 ～5800pa; 可滿足工作面的風量要求, 并符合有關規(guī)定。為保證工作面正常供風的需要, 選擇雙電源方式供風, 風、電、瓦斯閉鎖裝置必須齊全完整。備用局部通風機為同等能力的局部通風機。并有可靠的切換裝置, 滿足揭煤需要。施工過程中, 任何人不得隨意關閉局扇, 發(fā)生意外停機時, 工作面人員要立即撤至安全地點。

(2) 爆破地點附近風流中的瓦斯?jié)舛冗_到0．8%時, 嚴禁爆破。工作面風流中瓦斯?jié)舛冗_到0．8%時, 必須停止工作, 撤出人員, 切斷電源,進行處理; 電氣設備附近20m 以內風流中, 瓦斯?jié)舛冗_到1%時都必須停止工作, 撤出人員進行處理。電氣附近20m 以內瓦斯?jié)舛冗_到0．5%時, 嚴禁送電啟動。

(3) 瓦斯檢測工作

瓦斯檢測： 采用3 臺光學瓦斯檢測儀和2 臺便攜式電子瓦斯報警儀檢測, 瓦斯檢測儀經校驗合格后方可使用。專職瓦斯檢查員負責檢查瓦斯, 填寫報表, 由當班班長簽字, 并匯報項目部技術負責人。當鉆孔見煤后及時檢查瓦斯?jié)舛? 發(fā)現瓦斯含量增大, 工作面風流中瓦斯?jié)舛冗_到1．5%、或其它異狀時都必須撤出人員, 加強通風, 并匯報項目部安檢組, 只有在瓦斯含量在1%以下時, 方可進行工作。

根據《煤礦安全規(guī)程》149 條規(guī)定, 工作面瓦斯?jié)舛葯z測次數, 礦井中每班至少3 次。在執(zhí)行本措施時, 項目部由專職瓦檢員對礦井瓦斯隨時監(jiān)測。

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控： 按照規(guī)程要求, 設置瓦斯傳感器, 傳感器T1設置在距離工作面不大于5m 處, 在風筒出風口的另一側, 距離井壁不小于200mm, 傳感器T2設置在井口向下10～15m 處, 距離井壁不小于200mm, 對工作面的瓦斯情況進行24 小時不間斷監(jiān)測。井筒揭開煤層前, 瓦斯檢測設備必須要到位, 并確保其正常運轉, 監(jiān)測的參數如下：

T1傳感器的報警濃度： ≥1．0%CH4、斷電濃度： ≥1．5%CH4、復電濃度： ＜1．0%CH4

T2傳感器的報警濃度： ≥0．8%CH4、斷電濃度： ≥0．8%CH4、復電濃度： ＜0．8%CH4

(4) 預防瓦斯燃燒、爆炸的措施

①防止瓦斯積聚： 加強通風是預防瓦斯積聚的主要手段, 對高瓦斯礦的通風必須作到有效、穩(wěn)定和連續(xù)不斷, 保證工作面有新鮮風流, 并將井底的瓦斯及時吹散, 排出井筒, 經常檢查礦井通風情況和瓦斯情況, 發(fā)現瓦斯超限及時處理。

②防止瓦斯引燃： 井下人員絕對禁止攜帶煙草及點火工具下井, 井口房和局扇附近20m 內禁止煙火, 井口房和井下不得從事電氣焊, 嚴格執(zhí)行“一炮三檢”和“三人連鎖”放炮制度, 打眼裝藥聯線必須按本措施爆破參數規(guī)定執(zhí)行。嚴禁放糊炮和明火放炮, 嚴禁一次裝藥分次放炮, 必須使用煤礦安全炸藥和煤礦許用電雷管, 最后一段延期不得超過130ms, 防止摩擦和靜電火花引燃瓦斯。

表4 4# 、5#煤層突出危險性指標值

5 實際施工情況

經現場實測, 山陽煤礦副井井筒揭煤區(qū)域的4#、5#煤層突出危險性鑒定單項指標和綜合指標均未超標, 測試結果見表4, 因此判定山陽煤礦井筒揭煤區(qū)域的4#、5#煤層為無突出危險性煤層,按既定施工方案順利完成了副井的探揭煤施工。震動爆破后, 涌出瓦斯?jié)舛惹闆r如圖2 所示。施工中注意如下事項：

圖2 震動爆破后副井瓦斯?jié)舛惹€

(1) 探揭煤前應對井下及井口20m 范圍內所有電氣設備進行防爆檢查, 發(fā)現失爆立即進行整改。

(2) 震動放炮前, 對所有鉆孔和煤體中形成的孔洞都應嚴密封閉孔口, 孔內注滿水或以黃土砂充實。

(3) 打穿煤層的炮眼在煤層段和巖石段應分段裝藥, 并用長0．25m 的炮泥隔開。

(4) 所有的炮眼都在炸藥與封泥間裝1～2 個水炮泥, 封泥都必須密實地裝至孔口。

(5) 震動放炮要求一次全斷面揭穿或揭開煤層。4#煤層可以一次揭穿。由于5#煤層為厚煤層, 不能一次揭穿, 剩余部分的掘進, 仍按震動爆破的安全要求進行, 直至揭穿煤層。

6 結論

山陽煤礦副井以于2010 年10 月順利揭開4#、5#煤層, 較好的解決了防治瓦斯與煤突出這一技術難點。通過對井筒揭穿過程中煤層瓦斯防治技術的研究, 形成了一套適合高瓦斯多煤層井筒 (立井) 揭煤瓦斯綜合防治的技術及管理措施, 實踐證明, 施工中所采用的各項參數是符合山陽井筒條件的, 采取的施工工藝和各項安全措施是正確的, 為今后的揭煤工作、保證安全生產積累了經驗, 對于同等條件下的井筒揭煤提供了可供借鑒的實例。

[1] 王顯政·煤礦安全新技術 [M] ．北京： 煤炭工業(yè)出版社, 2002．

[2] 俞啟香·礦井瓦斯防治 [M] ．徐州： 中國礦業(yè)大學出版社, 1992．

[3] 吳中立．礦井通風與安全 [M] ．北京： 中國礦業(yè)大學出版社, 1989．

[4] 國家安全生產監(jiān)督管理總局．煤礦安全規(guī)程 [M] ．北京： 煤炭工業(yè)出版社, 2001 年．

[5] 周志遠, 荊安勇．井筒穿過突出煤層防止煤與瓦斯突出的方法 [J] ．礦業(yè)安全與環(huán)保, 2007, (6) ： 55- 57．